Was ist ein Batteriemanagementsystem (BMS)
Definition
Wie funktioniert ein Batteriemanagementsystem?
Das BMS überwacht kontinuierlich den Zustand jeder einzelnen Batteriezelle. Es misst Spannung, Strom und Temperatur und errechnet daraus wichtige Parameter wie den Ladezustand (State of Charge, SOC), den Gesundheitszustand (State of Health, SOH) und die verbleibende Nutzungsdauer (Remaining Useful Life, RUL).
Anhand dieser Daten steuert das BMS den Lade- und Entladevorgang. Es sorgt dafür, dass alle Zellen gleichmäßig geladen und entladen werden (Balancing) und schützt vor Überladung, Tiefentladung, Überstrom und Übertemperatur. Bei Störungen kann das BMS die Batterie vom System trennen.
Moderne BMS kommunizieren über Schnittstellen wie CAN-Bus oder RS485 mit übergeordneten Steuergeräten. So können Batterieparameter angezeigt und in die Betriebsstrategie des Gesamtsystems einbezogen werden, z.B. in Elektrofahrzeugen oder stationären Speichern.
Welche Arten von Batteriemanagementsystemen gibt es?
Zentralisierte BMS
Bei einem zentralisierten BMS erfolgt die Überwachung und Steuerung aller Zellen durch eine zentrale Einheit. Vorteil ist der geringere Verkabelungsaufwand. Nachteilig sind die geringere Ausfallsicherheit und Skalierbarkeit.
Modulare BMS
Modulare BMS bestehen aus mehreren Einheiten, die jeweils eine Gruppe von Zellen überwachen und untereinander kommunizieren. Das erhöht die Flexibilität und Ausfallsicherheit, erfordert aber einen höheren Vernetzungsaufwand.
Aktive BMS
Aktive BMS können durch Balancierströme den Ladezustand einzelner Zellen aktiv angleichen. Das verbessert die Kapazitätsausnutzung und Lebensdauer, erhöht aber auch Komplexität und Kosten des Systems.
Passive BMS
Passive BMS gleichen Zellen nur durch gezielte Entladung stärker geladener Zellen aus. Das ist einfacher und günstiger, führt aber zu Energieverlusten und geringerer Effizienz.
Konkrete Anwendungsbereiche für Batteriemanagementsysteme aus der Praxis
Elektrofahrzeuge
In Elektroautos überwacht das BMS die aus hunderten Zellen aufgebaute Hochvolt-Traktionsbatterie. Es ermittelt die verfügbare Reichweite und Leistung und tauscht Daten mit Motorsteuerung, Ladesystem und Klimatisierung aus. So wird z.B. die Ladeleistung bei Kälte reduziert oder die Batterie bei Hitze gekühlt.
Stationäre Speicher
Auch Batteriespeicher für Gebäude und Netze benötigen ein BMS. Es steuert das Laden aus PV-Anlagen oder Netzen und die Entladung zur Eigenversorgung oder Netzstabilisierung. Dabei müssen Lade-/Entladeleistung, Zyklenzahl und kalendarische Lebensdauer optimiert werden.
Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV)
USV sichern die Stromversorgung kritischer Verbraucher bei Netzausfall. Das BMS muss hier besonders zuverlässig und schnell reagieren, um Schäden an den angeschlossenen Systemen zu vermeiden.
Werkzeuge und Gartengeräte
Auch Akkus von Elektrowerkzeugen und Gartengeräten verfügen über einfache BMS. Sie schützen die kompakten und hohen Belastungen ausgesetzten Akkus und ermöglichen eine Kapazitäts- und Ladestandsanzeige.
Welche Faktoren beeinflussen die Auslegung eines Batteriemanagementsystems?
Zellchemie
Verschiedene Zellchemien wie Blei, Lithium-Ionen oder Lithium-Eisenphosphat erfordern angepasste Überwachungs- und Schutzfunktionen im BMS, z.B. hinsichtlich Spannungsgrenzen und Temperaturbereich.
Systemspannung und Zellenzahl
Mit steigender Systemspannung und Zellenzahl erhöhen sich die Anforderungen an Isolation, Balancing-Leistung und Kaskadierbarkeit des BMS. Auch die optimale Platzierung der Messstellen will sorgfältig geplant sein.
Lade- und Entladeströme
Hohe Lade- und Entladeströme, wie sie z.B. in Elektrofahrzeugen auftreten, erfordern eine schnelle Strommessung und leistungsfähige Schaltelemente im BMS. Auch die Wärmeentwicklung muss berücksichtigt werden.
Sicherheitsanforderungen
Je nach Anwendungsbereich gelten unterschiedliche Normen und Standards für die funktionale Sicherheit von BMS, z.B. ISO 26262 in Fahrzeugen oder IEC 61508 in stationären Anwendungen. Deren Einhaltung muss bei Entwicklung und Test nachgewiesen werden.
Was unterscheidet ein Batteriemanagementsystem von einer einfachen Schutzschaltung?
Im Gegensatz zu einer reinen Schutzschaltung, die nur bei Grenzwertverletzungen eingreift, arbeitet ein BMS kontinuierlich im Hintergrund. Es erfasst permanent eine Vielzahl von Parametern und regelt aktiv und vorausschauend den Betrieb der Batterie.
Durch intelligente Algorithmen und Schnittstellen zu übergeordneten Systemen kann ein BMS die Batterie optimal an den jeweiligen Anwendungsfall anpassen. So lässt sich die Leistungsfähigkeit maximieren und gleichzeitig die Lebensdauer verlängern.
Fazit
Batteriemanagementsysteme sind unverzichtbar für den sicheren und effizienten Betrieb moderner Batteriesysteme. Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektromobilität und stationären Speichern wird auch die Bedeutung und Komplexität von BMS weiter zunehmen.
Die optimale Auslegung und Integration des BMS ist eine Schlüsselkompetenz für Entwickler und Anwender von Batteriesystemen. Dabei gilt es, die Balance zwischen Leistung, Lebensdauer, Sicherheit und Kosten zu finden und kontinuierlich an den technischen Fortschritt anzupassen.